Ультразвук к в химической технологии. Лекция 5

1. Химическая технология: что нового?

Лекция 5а. Ультразвук в химической технологии.
Вадим К. Хлесткин, к.х.н.
Новосибирский государственный
университет

2. Примеры альтернативных технологий

Новые среды
Новые физические
реакционные условия
Реакции на границе
раздела фаз
Новые подходы к работе
с сырьем
Ионные жидкости
Микрореакторы
Твердость – твердость
Биомасса, отходы,
атмосферный CO2
Жидкие полимеры
Микроволны
Пар – твердость (включая
CO2)
Биосинтетические
превращения
Водные системы
Электрохимия
Твердость – жидкость
Биополимеры
Сверхкритический CO2
Радиочастотное
облучение
Ковалентно привязанные
тонкие жидкие пленки
Биомиметические
синтетические материалы
Без растворителя
Ультразвук
Эмульсии
Биофармацевтика
Плазма
Суспензии
Радиация
Электро-магн индукция
Фотохимия
Солнечная энергия
Самосборка
Селективный катализ
08.01.2019
НГУ, 3 курс ФЕН

3.

Поверхность:
Средние Т и Р.
Полость:
Экстремальные Т и Р.
Среда:
Интенсивные силы сдвига.
Кавитация - это процесс, при котором механическая
активация преодолевает силы межмолекулярного
притяжения в жидкой фазе.

4.

• Рассчитано, что при кавитации в воде давление в
схлопывающемся пузырьке может достигать 1000
атм, а температура – нескольких тысяч градусов,
что может влиять на протекание химических
процессов.
• Например, обработка УЗ раствора Fe(CO)5 в
декане приводит к образованию аморфного (а не
кристаллического) Fe, что говорит об очень
высоких температурах и быстрых скоростях
остывания (~106 К/с).
• В более летучем пентане образуется Fe3(CO)12,
что говорит о более медленном схлопывании.
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
4 из 47

5.

• Многие УЗ реакции могут быть проведены
даже в обычных УЗ банях, хотя в этом
случае количество переданной в систему
энергии не более 1-5 Вт*см2.
• Для масштабных процессов лучше
использовать специальные УЗ излучатели,
способные передать на 2 порядка больше
энергии.
• Обычно установки используют звук
частотой 20 – 40 кГц, но возможны и другие
частоты.
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
5 из 47

6.

Процесс
Амплитуда
Диспергирование/разрушение
агломератов
10 -30 мкм
Эмульгирование
20 – 60 мкм
Первичное разрушение частиц
40 – 120 мкм
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
6 из 47

7.

• Есть два эффекта УЗ – физический и
химический.
Обычные условия: 10-кратный избыток Cu, 48 ч.
УЗ: 4-хкратный избыток, 10 ч.
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
7 из 47

8.

20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
8 из 47

9.

20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
9 из 47

10.

Диспергирование частиц TiO2.
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
10 из 47

11.

До УЗ
После УЗ
Диспергирование частиц сажи в чернилах (увеличение в 100 раз).
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
11 из 47

12.

• Result = f (E /V )
• E[Ws] = P[W]*t[s]
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
12 из 47

13.

Наножелезо 10 – 20 нм из Fe(CO)5
20.03.2013
Микросферы гемоглобина из
раствора белка
НГУ, 3 курс ФЕН
13 из 47

14.

УЗ агрегация частиц Ni катализатора:
До УЗ
После УЗ
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
14 из 47

15. Масштабирование

100 W
500 - 2000 W
1000 - 16000 W
20.03.2013
Несколько аппаратов
параллельно
НГУ, 3 курс ФЕН
15 из 47

16.

Авторы заключают, что ультразвук постоянной специфической энергии более
эффективен, чем ротор-статорная УЗ-система, а также что в диапазоне 20 – 30
кГц эффективность не зависит от частоты.
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
16 из 47

17.

20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
17 из 47

18. Промышленное применение УЗ

Промышленное применение УЗ
Дегазация жидкостей
Эмульсификация
Кристаллизация
Очистка поверхностей
Агрегация частиц
Ускоренная коагуляция
Ускорение химических процессов
Можно избежать очистки и активации реагентов
Заменяет кат межфазного переноса
Использование опасных реагентов при более мягких условиях
Изменение течения хим реакций (УЗ переключение)
Приготовление нано- и микропорошков металлов
Использование в синтезе и разложении полимеров
Повышение продуктивности организмов?
Разрушение клеток
20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
18 из 47

19.

Ultrasonics Sonochemistry 20 (2013) 1289–1295
20.03.2013
УЗ для стимуляции нефтяных скважин.19 из 47
НГУ, 3 курс ФЕН

20.

20.03.2013
НГУ, 3 курс ФЕН
20 из 47